Fremstilling af Nanopillar-baserede split-ring resonator til forskydning Aktuelle Mediated resonanser i Terahertz Metamaterials
Summary
En protokol til design og fremstilling af en ny nanopillar-baserede split ring resonator (SRR) præsenteres.
Abstract
Terahertz (THz) split ring resonator (SRR) metamaterialer (MMS) er blevet undersøgt for gas, kemiske og biomolekylære sensing applikationer, fordi det SRR ikke påvirkes af miljømæssige egenskaber såsom temperaturen og trykket omkring resonator. Elektromagnetisk stråling i THz frekvenser er biokompatibel, som er en kritisk tilstand især for anvendelsen af biomolekylær sensing. Imidlertid kvalitetsfaktoren (Q-faktor) og frekvenser helt traditionel tynd-film baseret split ring resonator (SRR) MMS er meget lave, hvilket begrænser deres følsomhed og selektivitet som sensorer. I dette arbejde, nye nanopillar-baserede SRR MMS, udnytte forskydning strøm, er designet til at forbedre Q-faktor på op til 450, hvilket er omkring 45 gange højere end for traditionelle tynd-film-baserede MMS. Ud over den forbedrede Q-faktor, de nanopillar-baserede MMS inducerer en større frekvens skift (17 gange i forhold til forskydningen opnået ved traditional tyndfilm baserede MMS). På grund af de væsentligt forbedrede Q-faktorer og frekvens forskydninger samt ejendom biokompatible stråling, den THz nanopillar-baserede SRR er ideelle MMS for udviklingen af biomolekylære sensorer med høj følsomhed og selektivitet uden at fremkalde skader eller forvrængning til biomaterialer. En hidtil ukendt fremstillingsproces har vist sig at bygge nanopillar-baserede SRRs til forskydning strøm medierede THz MMS. En to-trins guld (Au) galvanisering proces og en atomar lag deposition (ALD) proces bruges til at skabe sub-10 nm skala huller mellem Au nanopillars. Da ALD processen er en konform belægning proces, en ensartet aluminiumoxid (Al 2 O 3) lag med en tykkelse nanometerskala kan opnås. Ved sekventielt galvanisering anden Au tynd film til at fylde mellemrummene mellem Al 2 O 3 og Au, et tætpakket Au-Al 2 O 3 au struktur med nano-skala Al 2 O 3 huller kan værefabrikeret. Størrelsen af nano-huller kan være veldefineret ved præcist at styre deposition cyklusser af ALD proces, som har en nøjagtighed på 0,1 nm.
Introduction
Terahertz (THz) metamaterialer (MMS) er blevet udviklet til biomedicinske sensorer og frekvensfleksibel enheder 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. For at forbedre følsomheden og frekvens selektivitet THz MM sensorer, har en nanopillar-baserede split ring resonator (SRR) er konstrueret ved hjælp forskydning strøm genereret inde guld (Au) nanopillar arrays at excitere THz resonanser med ultrahøj kvalitetsfaktorer ( Q-faktorer) (~ 450) (figur 1) 12. Selvom nanopillar-baserede SRRs viser høje Q-faktorer og lovende sensing evner, fremstilling af en sådan nanostructures med høje formatforhold (mere end 40) og nano-skala huller (sub-10 nm) over et stort område er fortsat udfordrende 13.
Den mest almindeligt anvendte teknik til at fremstille nano-skala strukturer er elektron-litografi (EBL) 14, 15, 16, 17. Imidlertid er løsningen af EBL stadig begrænset på grund af strålen pletstørrelse, elektron spredning, egenskaber resisten og udviklingsprocessen 18, 19. Desuden er det ikke praktisk at fremstille nanostrukturer ved hjælp EBL over et stort område på grund af en langsom proces tid og store proces koster 20. En anden strategi til at opnå nanostrukturer er at bruge en selvsamling teknik 21, 22. Ved selvsamlende metal nanocubes (NCS) i en løsning og utilders den elektrostatiske interaktion og sammenslutningen af polymer ligander mellem NCS kan en velorganiseret endimensionalt NC-array med nano-skala huller opnås 23. Nano-kløften størrelse afhænger af polymere ligander mellem NCS og kan styres ved at anvende forskellige polymermaterialer med forskellige molekylvægte 24, 25, 26. Selvsamling er en kraftfuld teknik til at opnå skalerbare og omkostningseffektive nanostrukturer 23. Men fremstillingsprocessen er mere kompliceret i forhold til konventionelle mikro- og nano fabrikationsprocesser, og kontrollen med nano-gap størrelser er ikke præcis nok for elektroniske programmer på enheden. For at kunne fabrikere nanopillar-baserede SRRs, bør en ny fabrikation metode opfundet for at opnå følgende mål: i) fremstillingsprocessen er let at anvende og er kompatibel med konventional mikro- og nano fabrikationsprocesser; ii) fremstilling over et stort område finder anvendelse; iii) nano-gap størrelser kan nemt og præcist styret med en 0,1 nm opløsning og kan skaleres ned til 10 nm eller mindre.
En hidtil ukendt fremstillingsmetode demonstreres anvendelse af kombinationen af en galvanisering proces og et atomart lag deposition (ALD) proces til at fremstille nanopillar-baserede SRRs. Da elektroplettering er en selvstændig påfyldning proces med lave omkostninger, er det let at fremstille strukturer over et stort område. ALD er en kemisk dampaflejring (CVD) proces, der kan styres præcist ved reaktionen cyklus under processen. Opløsningen af ALD tyndfilm kan være 0,1 nm, og den tynde film er ensartet belagt med en høj kvalitet, som er egnet til at skabe huller nano-skala 27, 28. Nanopillar-baserede SRR array med 10 nm mellemrum eller mindre held kan fremstilles over et areal på 6 mm x 6 mm. begge simulated og målte THz transmission spektre viser resonante adfærd med ultra-høj Q-faktorer og store frekvens skift, hvilket beviser gennemførligheden af de nanopillar-baserede SRRs medieret af forskydning strøm. Den detaljerede fabrikation proces er beskrevet nedenfor i protokollen sektionen, og videoen protokol kan hjælpe praktiserende læger til at forstå fremstillingsprocessen og undgå almindelige fejl i forbindelse med fremstilling af nanopillar-baserede SRRs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne fabrikation teknik har betydelige fordele for at skabe nano-skala strukturer i forhold til eksisterende metoder såsom E-beam litografi og saml-selv. For det første kan nano-skala strukturer realiseres over et stort område (en hel wafer) med en fotomaske at funktioner nanopillar arrays, hvilket ikke er praktisk med en E-beam litografi proces. For det andet, fremstillingsprocessen anvender en traditionel wafer skala mikro produktionsprocessen, som er meget hurtigere, enklere og billigere i forhold til E-litografi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette materiale er baseret på arbejde støttes af en opstartsfond på University of Minnesota, Twin Cities. Dele af dette arbejde blev udført i Characterization Facility, University of Minnesota, et medlem af NSF-finansierede Materials Research faciliteter via MRSEC programmet Network (www.mrfn.org). En del af dette arbejde blev også udført i Minnesota Nano Center, som modtager delvis støtte fra NSF gennem NNCI programmet.
Materials
| Silicon Wafer | Siltronic AG | N/A | 100mm diameter, N-type, one-side polish, resitivity: 560-840 Ω•cm |
| Chromium | Kurt J. Lesker Company | EVMCR35J | 99.95% pure |
| Copper | Kurt J. Lesker Company | EVMCU40QXQJ | 99.99% pure |
| E-Beam Evaporator System | Rocky Mountain Vacuum Tech. | N/A | RME-2000 |
| S1813 Positive Photoresist | Microposit | 10018348 | N/A |
| Spinner | Best Tools | S0114031123 | SMART COATER 100 |
| Mask Aligner | Midas | MDA-400LJ | N/A |
| Digital Hot Plate | Thermo Scientific | HP131725 | Super-Nuvoa series, maximum temperature: 370 degree C |
| MF319 Developer | Microposit | 10018042 | N/A |
| Acetone | Fisher Chemical | A18P-4 | N/A |
| Isopropyl Alcohol | Fisher Chemical | A416-4 | N/A |
| Gold 25 ES RTU | Technic Inc. | 391427 | N/A |
| Source Meter | Keithley | N/A | 2612 System SourceMeter |
| Microscope | Omax | NJF-120A | N/A |
| Profilometer | Tencor Instruments | N/A | Alpha-Step 200 |
| APS Copper Etchant 100 | Transfene Company, Inc. | N/A | N/A |
| CE-5 M Chromium Mask Etchant | Transfene Company, Inc. | N/A | N/A |
| Atomic Layer Deposition System | Cambridge Nano Tech inc. | N/A | Savannah series |
| Ion Mill Etching System | Intlvac Thin Film | N/A | Nanoquest series |
| Ultrasonic Cleaner | Crest Ultrasonics | N/A | Powersonic series |
| Hydrofluoric Acid | Sigma-Aldrich | 244279 | Diluted to 5% |
| Field Emission Gun Scanning Electron Microscope | Jeol Ltd. | N/A | JEOL 6700 series |
References
- Xu, X., et al. Flexible visible-infrared metamaterials and their applications in highly sensitive chemical and biological sensing. Nano Lett. 11 (8), 3232-3238 (2011).
- Singh, R., Cao, W., Al-Naib, I., Cong, L., Withayachumnankul, W., Zhang, W. Ultrasensitive terahertz sensing with high-Q Fano resonances in metasurfaces. Appl. Phys. Lett. 105 (17), 171101 (2014).
- Torun, H., Top, F. C., Dundar, G., Yalcinkaya, A. An antenna-coupled split-ring resonator for biosensing. J. Appl. Phys. 116 (12), 124701 (2014).
- Chen, T., Li, S., Sun, H. Metamaterials application in sensing. Sensors. 12 (3), 2742-2765 (2012).
- Jaruwongrungsee, K., et al. Microfluidic-based Split-Ring-Resonator Sensor for Real-time and Label-free Biosensing. Procedia Eng. 120, 163-166 (2015).
- Han, J., Lakhtakia, A. Semiconductor split-ring resonators for thermally tunable terahertz metamaterials. J. Mod. Optic. 56 (4), 554-557 (2009).
- Melik, R., Unal, E., Perkgoz, N. K., Puttlitz, C., Demir, H. V. Flexible metamaterials for wireless strain sensing. Appl. Phys. Lett. 95 (18), 181105 (2009).
- Naqui, J., Durán-Sindreu, M., Martín, F. Alignment and position sensors based on split ring resonators. Sensors. 12 (9), 11790-11797 (2012).
- Chiam, S., Singh, R., Gu, J., Han, J., Zhang, W., Bettiol, A. A. Increased frequency shifts in high aspect ratio terahertz split ring resonators. Appl. Phys. Lett. 94 (6), 064102 (2009).
- Gil, I., et al. Varactor-loaded split ring resonators for tunable notch filters at microwave frequencies. Electron. Lett. 40 (21), 1347-1348 (2004).
- Driscoll, T., et al. Tuned permeability in terahertz split-ring resonators for devices and sensors. Appl. Phys. Lett. 91 (6), 062511 (2007).
- Liu, C., et al. Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials. Adv. Opt. Mater. 4 (8), 1302-1309 (2016).
- Huang, M., Zhao, F., Cheng, Y., Xu, N., Xu, Z. Large area uniform nanostructures fabricated by direct femtosecond laser ablation. Opt. Express. 16 (23), 19354-19365 (2008).
- Broers, A., Molzen, W., Cuomo, J., Wittels, N. Electron-beam fabrication of 80-Å metal structures. Appl. Phys. Lett. 29 (9), 596-598 (1976).
- Isaacson, M., Muray, A. Insitu vaporization of very low molecular weight resists using 1/2 nm diameter electron beams. J. Vac. Sci. Technol. 19 (4), 1117-1120 (1981).
- Yang, J. K., et al. Understanding of hydrogen silsesquioxane electron resist for sub-5-nm-half-pitch lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 27 (6), 2622-2627 (2009).
- Duan, H., Yang, J. K., Berggren, K. K. Controlled Collapse of High-Aspect-Ratio Nanostructures. Small. 7 (18), 2661-2668 (2011).
- Cord, B., et al. Limiting factors in sub-10nm scanning-electron-beam lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 27 (6), 2616-2621 (2009).
- Manfrinato, V. R., et al. Resolution limits of electron-beam lithography toward the atomic scale. Nano Lett. 13 (4), 1555-1558 (2013).
- Ashraf, M., Sreenath, A., Chollet, F. Low-cost mould for nano-imprinting uses monolayer of self-organized nanospheres. SPIE Newsroom. , (2007).
- Hu, T., Gao, Y., Wang, Z., Tang, Z. One-dimensional self-assembly of inorganic nanoparticles. Front. Phys. China. 4, 487-496 (2009).
- Kitching, H., Shiers, M. J., Kenyon, A. J., Parkin, I. P. Self-assembly of metallic nanoparticles into one dimensional arrays. J. Mater. Chem. A. 1 (24), 6985-6999 (2013).
- Klinkova, A., et al. Structural and optical properties of self-assembled chains of plasmonic nanocubes. Nano Lett. 14 (11), 6314-6321 (2014).
- Caswell, K., Wilson, J. N., Bunz, U. H., Murphy, C. J. Preferential end-to-end assembly of gold nanorods by biotin-streptavidin connectors. J. Am. Chem. Soc. 125 (46), 13914-13915 (2003).
- Liu, K., et al. Step-growth polymerization of inorganic nanoparticles. Science. 329 (5988), 197-200 (2010).
- Nie, Z., Fava, D., Kumacheva, E., Zou, S., Walker, G. C., Rubinstein, M. Self-assembly of metal-polymer analogues of amphiphilic triblock copolymers. Nat. Mater. 6 (8), 609-614 (2007).
- Chen, X., et al. Atomic layer lithography of wafer-scale nanogap arrays for extreme confinement of electromagnetic waves. Nat. Commun. 4 (2361), (2013).
- Nam, S., et al. Sub-10-nm nanochannels by self-sealing and self-limiting atomic layer deposition. Nano Lett. 10 (9), 3324-3329 (2010).
